量子电池和充电器间的纠缠对充放电能量的影响

量子电池是近些年物理学界在量子信息理论基础上提出的重要研究课题,具有重要的理论和实际意义。本文通过研究充电器与量子电池初始处于纠缠态时,系统充放电能量的演化过程表明,纠缠态对系统充放电及量子电池最大输出功起重要的积极作用。纠缠最大时,充电器和量子电池充放电最大,并且量子电池最大功也最大。本文的结果对量子电池的研究具有及其重要的指导意义。

非平衡环境下相干对量子电池存储能的影响

量子电池是一类储能量子器件,在量子传感、分子马达等众多量子小系统中具有重要的应用前景。基于碰撞模型框架,研究了单量子比特电池在非平衡相干环境下充电时,环境相干对电池稳态存储能的影响。通过推导系统演化的量子主方程,解析给出量子电池的稳态存储能,进而分析了构成非平衡环境中的压缩相干与热交换相干对电池存储能的影响。研究表明:环境辅助单元中的压缩相干对储能无贡献,而热交换相干(包括相干强度和相对相位)则能够有效提升电池的存储能,可视作一类有用的电池“燃料”资源。

基于依赖强度Dicke模型的量子电池充电性能

研究了基于依赖光场强度耦合Dicke模型(也被称为依赖强度Dicke模型)的量子电池中包括最大存储能量、充电时间、能量量子涨落以及最大充电功率等充电性能表现.首先考虑了能量非保守项(或者叫反旋波项)对量子电池的最大存储能量和最大充电功率的影响,研究发现:最大存储能量对能量非保守项权重的增加不是很敏感,但最大充电功率随能量非保守项权重的增加将会发生显著的变化.进一步,研究了在能量保守项和能量非保守项是相同权重下量子电池中最大存储能量、充电时间、能量量子涨落以及最大充电功率的变化特征.通过与基于单光子和双光子Dicke模型的量子电池的充电性能进行比较,发现基于依赖强度Dicke模型的量子电池在充电时间和最大充电功率上强于基于单光子Dicke模型的量子电池,但弱于双光子Dicke模型的量子电池.而3种Dicke模型在最大存储能量上没有一个确定的强弱关系,取决于不同的耦合常数.本文也揭示了虽然在最大充电功率上依赖强度耦合Dicke模型会弱于双光子Dicke模型,但在两种模型中体现的量子优势即最大充电功率与量子电池单元数满足的幂律关系是相同的.总之,本文为进一步研究量子电池提供了一种可选择的理论方案.

量子电池中量子失协的作用

在本文中,我们用一个两量子比特系统模拟了量子电池–充电器模型,通过精确求解两个全同二能级原子共处于一个单模腔场系统中,讨论了在不同平均光子数下量子失协对量子电池中能量转换和最大功的影响。研究表明:量子失协提供了量子电池系统中低能量向高能量传输的动力,并且最大功会随着光子数的增加而变化。当光子数较小时,系统内的演化受量子失协影响较大,随着光子数的增加,光子数在演化中所占权重越来越大,导致系统的演化更加复杂。

压缩热场光腔-原子量子电池的功提取动力学演化

构建了一种基于光腔与原子耦合的开放量子电池系统,通过调控压缩热场的量子特性实现了稳定赋能。利用量子态Bloch矢量的动力学映射方法,研究了压缩热场环境对量子电池功提取的动力学机制。研究发现,电池在低温条件下,量子功提取效果较好。量子环境的记忆效应和环境压缩特性在一定程度上有利于改善量子功提取。揭示了量子功提取与量子相干之间的物理关联,量子相干特性显著的电池具有较高的量子功提取。这为光腔辅助的开放量子电池提供了一种可行性方案。

量子相干优化量子电池的充电性能

探索如何利用量子相干实现量子电池(quantum battery,QB)性能优化是有趣的实际问题。本文构建了一多能级量子系统在相干辅助库下充电的QB模型。基于碰撞模型框架,推导了弱相互作用下QB演化的量子主方程(quantum master equation,QME),并借助Ket-Bra纠缠态方法求得QME的解。结合数值模拟,分析了辅助库中量子相干(相干强度和相干相位)对QB最大可提取功的影响;揭示了在一定条件下量子相干可扮演QB“燃料”的角色——有效提升QB的充电性能。

NiO光电阴极膜厚对量子点敏化太阳能电池性能的影响

为探究量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)中光阳极薄膜材料的最佳制备条件,通过一步高温水热法合成p型NiO纳米颗粒,并采用超声法将其制备成NiO浆料,丝网印刷在导电玻璃上以形成NiO薄膜.NiO薄膜可作为量子点敏化太阳能电池的光电阴极,结合Cu2S对电极和多硫化物电解质组装成太阳能电池.通过对不同膜厚NiO光电阴极薄膜的研究及反复测试,结果表明:当NiO薄膜材料膜厚为21μm时该电池存在最高的光电转换效率.

生长温度对InAs/GaAs量子点太阳电池的影响研究

InAs/GaAs量子点的生长形貌和特性受不同生长环境和生长条件影响。本文借助光致发光光谱(PL)特性表征方法,通过实验生长,对比研究不同生长温度下获得的量子点性能,结合当前三结叠层GaInP/GaAs/Ge(2-terminal)电池存在的问题,以及该电池的设计、制作要求,分析了InAs量子点的不同生长温度对于具有量子点结构的中电池吸收的影响。

量子点敏化太阳能电池研究进展中出现的问题及其解决方案

量子点敏化太阳能电池发展至今,其效率已经突破了5%,但是与染料敏化电池12%的效率相比还是存在着较大的距离,从电荷复合、量子点的光捕获、光阳极的结构、电解质和对电极5个方面分析了量子点敏化电池效率低下的原因,以及针对以上5个方面目前量子点敏化电池的研究所采取的改进措施。

温度对多硫电解质及量子点敏化太阳能电池性能的影响

采用电化学的方法研究了温度对多硫电解质导电性能及量子点敏化太阳能电池光电性能的影响.结果表明:随着温度的升高,电解质的电导率逐步升高,多硫离子在电解质中的扩散阻力变小;另外,随着温度的升高,量子点敏化太阳能电池的光电转化效率逐渐降低,这主要是由于在较高的温度下,电池的暗反应逐渐增大和量子点的脱附引起的.

量子点敏化太阳能电池研究进展

量子点敏化太阳能电池(QDSCs)因其制备成本低、工艺简单及量子点(QDs)本身的优异性能(如尺寸效应、多激子效应)等优点,近年来受到广泛关注。在此类电池中,无机半导体量子点敏化剂作为吸光材料,其自身的光电性质、制备方法、表面缺陷、化学稳定性及其在TiO_2光阳极上的敏化方法等是影响电池性能的关键。本文综述了无机半导体量子点敏化剂(包括窄带隙二元量子点、多元合金量子点及Type-II核壳量子点)的最新研究进展,重点介绍了胶体量子点的制备方法;分类阐释了量子点在TiO_2光阳极表面的沉积与敏化方法,特别是双官能团辅助自组装吸附法;总结了针对提高电子注入效率和减少复合的量子点表面修饰方法;最后简要介绍了QDSCs的电解质和对电极的研究进展。

CdSe／ZnS量子点敏化太阳能电池电子注入与光伏性能表征

合成了CdSe/ZnS核壳结构量子点(QDs),将其作为光敏剂吸附在TiO2纳米晶薄膜上,组装成量子点敏化太阳能电池(QDSSCs),从电子注入速率和电池性能两方面对QDSSCs进行了表征.为了定量研究ZnS层包覆对电子注入的影响,运用飞秒瞬态光谱技术,测试了包覆ZnS前后,CdSe-TiO2体系的电子注入速率.实验测得ZnS包覆前后电子注入速率分别为7.14×1011和2.38×1011s-1,可以看出包覆后电子注入速率明显降低,仅为包覆前的1/3.电池器件J-V性能测试表明,ZnS作为绝缘层包覆在CdSe的表面有效提高了QDSSCs的填充因子和稳定性,但同时也导致了效率的降低.上述结果说明了电子注入速率的降低是导致电池电流和效率下降的重要原因,为今后优化核壳结构QDSSCs的电流和效率提供了依据.

胶体CdSe/CdTe核壳Ⅱ型量子点敏化太阳能电池

为了探讨Ⅱ型量子点在敏化太阳能电池中的应用前景,采用胶体化学法制备了CdSe/CdTe核壳Ⅱ型量子点,替代染料敏化TiO2形成光阳极,与Pt对电极、电解液组装成量子点敏化太阳能电池.电池光电转换性能测量结果表明该电池具有0.86%的能量转换效率.通过测量Ⅱ型量子点吸附在TiO2和FTO基板上的荧光寿命、电池的电化学阻抗谱,探讨电池性能的内在机理.荧光寿命测量结果表明电子从CdSe/CdTe转移到TiO2上速率较慢,从而电荷复合的几率提高,导致CdSe/CdTe核壳量子点敏化电池的短路电流密度较低.电化学阻抗谱表明Ⅱ型量子点具有更长的电子寿命,由此显示其在太阳能电池应用上具有潜在的优势.

CuInS_2量子点敏化太阳能电池中尺寸依赖的电子注入和光电性质

研究了CuInS2(CIS)量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)的电子注入和器件性能与粒子尺寸之间的依赖关系.首先合成了不同尺寸的CuInS2量子点(QDs),制备了CuInS2量子点敏化的TiO2薄膜,并组装了量子点敏化太阳能电池.通过循环伏安法确定了CuInS2量子点的能级位置.采用时间分辨荧光光谱分析测量了CuInS2量子点到TiO2薄膜的电子转移速率和效率.结果发现,随着粒子尺寸从4.0 nm减小到2.5 nm,电子注入速率略微增加而电子注入效率减小,同时量子点敏化太阳能电池的开路电压基本不变,而光电转换效率、短路电流和填充因子(FF)均减小.上述研究结果表明量子点敏化太阳能电池性能的优化可以通过改变量子点的尺寸来实现.

CdS量子点敏化TiO_2纳米线束阵列太阳能电池的研究

采用水热合成技术,以盐酸、去离子水和酞酸丁酯为反应前驱物,在透明导电玻璃衬底(FTO)上生长TiO2纳米线束阵列,以化学浴沉积技术制备CdS量子点敏化TiO2纳米线束阵列光阳极。研究了CdS量子点敏化的循环周期对太阳能电池的光伏性能、单色光光子-电子转换效率、静态和动态光电流的特性的影响规律。结果表明:CdS量子点的大小和密度随着敏化循环周期的增加而增加,当敏化循环的周期为15次时,单色光光子-电子转换效率最高,电池的短路电流密度为0.61 mA/cm2,开路电压为0.65 V,填充因子为0.50,光电转换效率为0.20%。通过强度调制的光电流谱分析,得到光生电子在光阳极中的扩散系数为3.2×10-6cm2/s,传输时间为2.1×10-2s。

量子点敏化太阳能电池的研究现状及进展

量子点敏化太阳能电池(QDSC)是目前光伏领域的研究热点之一。本文阐述了QDSC的基本结构及工作原理,主要从QDSC的电解质、敏化剂、光阳极等三个方面探讨了提升光电转化效率的方法。共敏化作为新兴的提高转换效率的方法不可低估。为了拓宽QDSC的光谱吸收范围,将不同种类和尺寸的量子点组装在纳米管阵列上,量子点的粒径呈梯度分布,显著增加对太阳光的吸收率,QDSC的光电转化效率得到明显提升。文章最后对QDSC存在的问题及性能优化措施做了阐述。

高活性硫化铅电极的制备及在量子点敏化太阳能电池中的应用

为了提高量子点敏化纳晶薄膜太阳能电池的光电转换效率,我们通过连续在酸和多硫溶液中处理铅片制备了对多硫电解液具有高电催化活性的硫化铅电极.通过电化学阻抗谱测试评价所制备硫化铅电极的催化活性,从而确定制备高效硫化铅电极的最佳条件.以在最佳条件下制备的硫化铅为对电极、CdSe量子点敏化TiO2纳晶薄膜为工作电极和多硫电解液组装成量子点敏化太阳能电池.光电性能测试结果表明所制备的电极具有良好的催化活性和光电转换性能.与已报导的方法相比,新方法大幅度地减少制备过程所需的时间,但却提高了所制备的硫化铅对电极的催化活性.通过X射线衍射和扫描电镜测试表征了硫化铅的生成过程,探讨了催化活性提高的原因.

单晶二氧化钛纳米棒阵列的修饰及其在量子点敏化太阳电池中的应用(英文)

使用TiCl4溶液对单晶TiO2纳米棒阵列(TNRs)进行修饰,通过在TiO2纳米棒表面合成TiO2纳米颗粒来提高TNRs的表面积,提高TNRs对量子点的吸附能力,并在此基础上研究了TiCl4修饰时间对基于单晶TNRs的CdS/CdSe量子点敏化太阳电池光伏性能的影响,同时结合强度调制光电流谱(IMPS)研究了TiO2纳米棒阵列的电子传输性能.结果表明:TiCl4修饰可以大幅提高基于单晶TNRs的CdS/CdSe量子点敏化太阳电池的光伏性能,在TiCl4修饰时间为60 h时,其短路电流密度和光电转换效率分别由修饰前的(2.93±0.07)mA·cm-2和0.36%±0.02%提高至(8.19±0.12)mA·cm-2和1.17%±0.07%.同时,IMPS测试表明电子在单晶TiO2纳米棒阵列中的传输速率高于在TiO2纳米颗粒薄膜中的传输速率,证明了单晶TiO2纳米棒阵列在电子传输方面的优越性.

量子点敏化太阳能电池研究进展

量子点敏化太阳能电池因其优点众多(如制备工艺简单、成本低以及理论光电转换效率高等)而备受关注,目前最高效率已经突破13%.而电池性能的优劣主要由光阳极、对电极以及电解质共同决定,本文从以上几部分入手并简要阐述了量子点敏化太阳能电池由哪些重要部分构成、对外电路工作的内部反应机制和各重要部件当前的探索现状,着重综述了光阳极当前的研究成果以及存在的问题,并对光阳极的优化途径进行了展望.

CdS量子点敏化TiO_2纳米颗粒多孔薄膜太阳能电池性能研究

以CdS量子点敏化TiO2纳米颗粒多孔薄膜为光阳极,与多硫电解液和Pt对电极组装太阳能电池,研究了光阳极厚度和敏化周期对光伏性能的影响。结果表明,TiO2纳米颗粒多孔薄膜的最佳厚度为14μm,最佳CdS量子点敏化周期为20,由此得到的太阳能电池的短路电流密度J sc、光电转换效率η和量子效率分别为4.51 mA/cm2、0.76%和69%。在光阳极中采用TiO2纳米颗粒/TiO2纳米线多孔薄膜双层工作电极,TiO2纳米线散射层增加了对入射光的利用率,使电池在可见光波段的量子效率增加,从而使电池的短路电流密度J sc和光电转换效率分别比原来提高了11.6%和10.5%。